電滲析裝置和方法

2023-07-15 05:49:11

專利名稱：電滲析裝置和方法
技術領域：
本發明有關水處理裝置和方法，尤其是一種電滲析裝置和方法。
背景技術：
電滲析裝置和方法可以用於脫鹽和水淡化。通常電滲析裝置可以包括一 對電極和位於該對電極之間的若干個離子交換膜，所述離子交換膜通常包括 陽離子交換膜和陰離子交換膜兩種類型。陽離子交換膜是指分子量較小的陽
離子易於通過，而陰離子或分子量較大的陽離子難以通過的膜；陰離子交換 膜則是指分子量較小的陰離子易於通過，而陽離子或分子量較大的陰離子難 以通過的膜。所述陽離子交換膜和陰離子交換膜間隔設置在電極對之間，並 在每兩個相鄰的膜之間形成隔室。當在所述電極對上形成電壓並使其中一個 作為正極，另一個作為負極時，在電場的作用下，分子量較小的陽離子穿過 陽離子交換膜向著負極移動，但是其被陰離子交換膜阻擋而無法進一步移動； 同時，分子量較小的陰離子穿過陰離子交換膜向正極移動，並被陽離子交換 膜阻擋而無法進一步移動。從而，在陰離子交換膜靠近陽極的一側的隔室成 為離子數量多的濃室；而在陰離子交換膜靠近陰極的 一 側的隔室成為離子數 量少的淡室。電滲析方法通過這種方法將輸入的入水流分離成淡水(淡室流 出的水)和濃水(濃室裡流出的水)。
電滲析的效率與所施加在電極上的電流或電壓的大小有關。電流密度是 指膜上單位有效面積的電流大小，通常情況下，提高電流密度會相應提高電 滲析的效率。但是另一方面，在電滲析的過程中會出現極化現象，而使得電 流密度不能無限升高。極化是指在電場作用下，由於離子的移動，導致膜附 近局部離子濃度變化的現象。由於極化現象導致的離子濃度減小會導致該處 電阻升高，當某些局部出現離子濃度接近零的現象時的電流稱為極限電流。 實際電滲析過程中，當電流達到極限電流後，水會分解成氫離子和氫氧根離 子，該水解過程會消耗部分電能而降低系統效率。同時，水解後的溶液pH值變化，會在膜表面產生結垢現象。
反向電滲析是一種自動定期反轉電極極性，以減緩或消除極化及結垢的 技術。但是在反向電滲析過程中，兩電極的極性反轉後，相應的濃室變為淡 室，而原淡室變為濃室，需要相應及時切換出水路。

發明內容
本發明提供一種電滲析裝置，該電滲析裝置包括第一電極、與第一電極 相隔一定距離的第二電極、以及控制器。控制器控制從一個電源傳送到所述 第一、第二電極上的電流，該電源在控制器的控制下在每一個周期內可以從 一第一模式切換到一第二模式，而在所述第二模式下的電流極性與第一模式
下的電流極性相反，所述電流的頻率約為IOO赫茲到IO千赫茲。


通 過結合附圖對於本發明的實施例進行描述，可以更好地理解本發明，
在附圖中
圖1是電滲析裝置的示意圖2所示為圖1電滲析裝置的一個陰離子交換膜在濃室附近極化現象示 意圖3所示為圖1中電滲析裝置的電壓/電流關係曲線圖； 圖4所示為本發明施加在電滲析裝置的兩個電極上的脈衝電流信號的一 個實施方式；
圖5所示為利用有限元分析軟體模擬圖2中濃室內在一定的正向電流作 用下，經三段不同時間後的濃度分布曲線；
圖6為所示為利用有限元分析軟體模擬在一定反向電流作用下，經三段 不同時間後濃室內的濃度分布曲線；
圖7為所示為本發明施加在電滲析裝置的兩個電極上的脈衝電流信號的 另一個實施方式。
具體實施例方式
說明書和權利要求中的近似用語用來修飾數量，表示本發明並不限定於 該具體數量，還包括與該數量接近的可接受的修正的部分，而不會導致相關基本功能的改變。相應的，用"大約"等修飾一個數值，意為本發明不限於
該精確數值。在某些例子中，近似用語可能對應於測量數值的^f義器的精度。
作為本發明的一種實施方式， 一種電滲析裝置包括第一電極、與第一電
極相隔 一 定間距的第二電極以及 一 個控制器。該控制器控制從 一 個電源傳送
到所述第一、第二電極上的電流。該電源在控制器的控制下在每一個周期內
可以從一第 一模式切換到 一第二模式，而在所述第二模式下的電流極性與第
一模式下的電流極性相反。所述電流有若干個周期，該若干個周期有一定持續時間和頻率。
電滲析裝置包括至少一個淡室，作為本發明的一種實施方式，所述控制器進一步控制一個閥的開、關，從而使流經膜表面的水流有動態的變化。
電滲析裝置包括與流進其中的入水流相接觸的離子交換膜，所述離子交換膜靠近至少一個電極。作為本發明的一種實施方式，可以在第一、第二電極之間設置兩個或兩個以上的離子交換膜，包括陽離子交換膜和陰離子交換膜。
所述電流的頻率影響電滲析裝置的功能和使用壽命，在本發明的一個實施方式中，所述頻率的恆定的。在其他的實施方式中，該頻率也可以是變化的。可以使用傳感器來實時檢測入水流的成份或離子濃度、輸出濃水或淡水的離子濃度以及實際電流等訊息，並將所述實時訊息傳遞給控制器，以便控制器及時調整其控制。在某些實施方式中，傳感器測量入水流的成份，並反4齎給電流的頻率、周期時間以及電流大小的控制。
在電流信號的一個周期內，電滲析過程可以包括一個脫鹽階段和膜恢復階段。在脫鹽階段，電源向第一、第二電極傳送正向電流(If)並持續一個正
向時間(Tf),使得第一、第二電極分別作為正極和負極；在膜恢復階段，電
源向第一、第一電極傳送反向電流(1》並持續一個反向時間(Tr)，使得第
一、第二電極分別作為負極和正極。
所述電流信號的頻率可是大於100赫茲，小於10千赫茲，該電流頻率範圍可以是100赫茲至500赫茲之間，或者500赫茲到1千赫茲，或者從1千赫茲到2千赫茲，或者從2千赫茲到5千赫茲，或者從5千赫茲到10千赫茲。
如前所述，電流周期包括第一、第二模式，其周期的持續時間可以小於約10毫秒，其可以是10毫秒到5毫秒，可以是5毫秒到1毫秒，從1毫秒到0.5毫秒，或從0.5到0.1毫秒。每一電流周期中，正向電流持續時間(Tf)與反向電流持續時間(Tr)之
比約為大於80:20。該Tf與Tr的比值範圍可以是80:20至85:15,或者從85:15至90:10,或者是90:10至95:5,或者是95:5至99:1。
控制器控制電源傳輸的電流從一種模式轉換到另 一種模式，並在任一模式持續一定的時間。作為本發明的一種實施方式，控制器控制電源傳輸的電流進一步包括一個第三模式，在該第三模式，電源不向電極提供電流，為一停頓階段，並持續一個停頓時間Ti。該第三模式可以介於所述第一、第二模式之間。
作為本發明的一種實施方式，兩個周期之間進一步包括一第二反向電流Ip,該第二反向電流Ip與正向電流If的方向相反，且持續一第二反向時間Tp。
一個電流周期內可以進 一 步包括 一 電源提供電流的停頓階段，該停頓階段可以介於脫鹽階段與膜恢復階段之間。
一個電滲析過程包括將入水流導入電滲析裝置，向電滲析裝置內的電極施加一正向電流，監測電滲析裝置的淡室內離子交換膜附近離子濃度的變化，一旦該離子濃度降低到 一個預設的第 一參考濃度，則施加在電極上的電流反向，直到所述淡室內離子交換膜附近的離子濃度恢復到一個預設的第二參考濃度，再向電極施加正向電流。
參照圖1所示， 一個示意性的電滲析裝置10包括一個第一電極12和一個與第一電極12間隔一定距離的第二電極14,該電滲析裝置IO還包括兩個陽離子交換膜16、 一個位於該兩個陽離子交換膜16之間的陰離子交換膜18、以及一個電源20。所述間隔設置的兩個陽離子交換膜16和陰離子交換膜18也被稱為膜堆，該膜堆可以根據需要包括若千個間隔設置的陽離子、陰離子交換膜16、 18。 一個入水流22可以包括若干解離的陽離子(M+),如Na+、Ca2+、 K+和Mg2+等，以及若干解離的陰離子(X-),如Cr、 S042^。C032-。
在包括電源20、正極12和負極14的電路閉合時，正、負極12、 14其中之一作為正極，而另一個作為負極。入水流22中的陽離子M+向著正極移動，而其中的負離子x-則向著正極移動。這種離子的移動導致陽離子和陰離子分離開來，陰離子18靠近正極的一側形成一個淡室24，而陰離子18靠近負極的 一側形成一個濃室26,從淡室24和濃室26流出的水流分別為淡水流和;農7jc流。
前述離子在電場作用下的移動也導致了膜附近邊界層的極化現象。圖2所示為淡室內陰離子交換膜18附近的極化現象示意圖。參照圖2所示，對於一個使用傳輸恆定電流I的電源的現有電滲析裝置，在電滲析過程的開始，電滲極裝置內各處的離子濃度相等，都大致等於入水流的離子濃度， 一旦電源開始向電極傳輸恆定電流I,陽離子在電場力的作用下向陰極移動，同時陰
離子在電場力的作用下向陽離移動，陰離子交換膜18靠近淡室24附近的陽離子濃度降低。另一方面，陰離子交換膜18阻止濃室26內的陽離子通過，導致其靠近淡室24 —側的陽離子濃度進一步降低，在陰離子交換膜18附近形成一個離子濃度梯度28。且在陰離子交換膜18附近形成^氐離子濃度的邊界層30 (或稱"能斯特層")，該邊界層30的厚度為D。
至少兩個因素阻礙前述邊界層30離子濃度進一步降低，其一為注入電滲析裝置的入水流22的動態流動， 一旦所述濃度梯度28延伸到入水流，入水流22的動態流動會在該區域形成對流，而阻止離子濃度進一步降低。所述入水流22的動態流動與其他因素一起決定了邊界層30的厚度D，所述其他的因素可能包括溫度以及入水流22的粘性和流速等等。另一個阻止離子濃度降低的因素為擴散力，在離子濃度降低的過程中，擴散力驅動所有陽離子和陰離子同時向著陰離子交換膜18移動。擴散力加強了邊界層30內的陰離子的運動，但是因為該擴散力與電場力的方向相反，其減弱了陽離子在其中的運動。如果擴散力與電場力達到平橫，則邊界層30的離子濃度梯度達到一個穩定的狀態，以下簡稱"穩態"。
如果電流密度進一步增加，當陰離子交換膜18在淡室的邊界層處離子濃度接近零的時候，相應的電流為極限電流(Ilim)。如果電流繼續增加至大於極限電流，此時水分子會分解成氫離子和氫氧根離子。參照圖3中的電壓/電流曲線，當操作電流超過極限電流後，水分解，膜堆兩側的電壓急劇升高，而在陰離子交換膜18上形成較大的電壓降。這種情況的出現大大降低了電解效率。對於陽離子交換膜也存在相應現象。
相對於一個固定電滲析裝置，以及其他確定的影響參數，前述的極限電流Um是入水流的流速及離子濃度的函數，可以用實驗的方法獲得。對一個採用恆定直流電流的普通電滲析裝置，其恆定工作電流I可以根據該極限電流Ium來確定，即l^m/f,其中f約為在0.3至0.7之間。
作為本發明的一個實施方式，可以採用一控制器(未圖示)控制電源20向第一、第二電極12、 14發送脈衝電流信號，圖4所示為該脈衝電流信號的第一個實施方式，其中，該脈衝電流信號包括若干個周期，每一個周期包括 一個用於脫鹽的正向電流信號和一個用於膜恢復的反向電流信號。所述正向
電流信號有一正向電流(If),並持續一個正向電流時間(Tf);所述反向電流 信號有一反向電流(lr),並持續一個反向電流時間(Tr )。每一個周期時間(T) 為正向電流時間和反向電流時間之和。在所述正向電流時間內，第一、第二 電極12、 14分別作為正極和負極，而在反向電流時間內，第一、第二電極 12、 14分別作為負極和正極。所述正向電流與該電滲析裝置的極限電流的比 較可為0.314-0.91，可以大於通常恆定電流電源的工作電流。該脈沖電流信號 的平均電流值la被定義為
匸一I"Tf-IrxTr
a Tf + Tr
因為利用電滲析裝置進行脫鹽的效率與該平均電流大致成正比，因此可以通 過控制器控制該平均電流值大於通常恆定電流電源的工作電流而提高脫鹽效率。
在所述脈沖電流信號的每一個周期內，電源20先向第一、第二電極l2、 14傳送一正向電流，監測電滲析裝置的淡室內離子濃度的變化， 一旦該離子 濃度降低到一個預設的第一參考濃度，則施加在電極上的電流反向，用以緩 解膜表面的極化。
在離子濃度達到其穩態之前，控制器控制電源20輸出的電流反向，從而 阻止膜表面離子濃度進一步降低。在反向電流作用下， 一旦所述淡室內的離 子濃度恢復到一個預設的第二參考濃度，電源20輸出電流的極性回復到正 向，開始下一個周期。因此脈沖電流信號的正向電流可以比通常恆定電流電 源的工作電流高百分之五至百分之三十。脈沖電流信號的平均電流也可以大 於通常恆定電流電源的工作電流，從而提高脫鹽效率。
作為 一種實施方式，所述脈衝電流信號的正向電流時間和反向電流時間 可以根據能斯特(Nemst)方程來計算
(9c/&+ ▽. (-Di ▽ c,-z,w加Fc, ▽ <&+c^)=凡
其中5c/^表示隨時間變化的離子濃度變化，-DiVc,反應離子濃度梯度所引 起的擴散力因素，-z,ww,屍c,VO代表電場力的作用，代表入水流的動態流 動因素，而尺反應化學反應的影響因素。
9在電滲析過程中，幾乎沒有化學反應發生，因此^的影響忽略不計。因
施加在第一、第二電極12、 14上的電場力方向大致垂直於入水流的流動方向， 能斯特方程中水流的動態流動因素也可忽略不計，即/ ,.部分為零。從而僅電 場力和擴散力影響所述隨時間變化的離子濃度變化的關係，能斯特方程可簡 化為
所述正向電流時間和反向電流時間可以根據該簡化的能斯特方程，用商業上 的有限元數值分析軟體來模擬，比如COMSOL公司設計的分析軟體。
圖5和圖6所示為使用COMSOL軟體模擬正向電流和反向電流時間曲線 的一個例子。在該例子中，入水流為一離子濃度約為百萬分之一千(1000PPM) 的氯化鈉溶液，其擴散係數為2*10-9平方米/秒，設定第一參考濃度為約百萬 分之四百(400PPM)，第二參考濃度為約百萬分之六百(600PPM)。
圖5所示三條曲線為正向電流作用下，正向電流密度為25安培/平方米， 分別經0.5毫秒、1毫秒和2毫秒時淡室內靠近陰離子交換膜的濃度分布。模 擬顯示經大約1秒左右，所述陰離子交換膜靠近淡室一側的濃度降至百萬分 之四百(400PPM)。
圖6所示為模擬在正向電流作用結束後，將圖5施加正向電流1毫秒時 的曲線為曲線(即離子濃度降至第一參考濃度時)，施加反向電流後0.01毫 秒、0.02毫秒、0.03毫秒、0.06毫秒、0.08毫秒後淡室內靠近陰離子交換膜 的濃度分布。所施加的反向電流為1.2倍的正向電流密度(即1.2*25=30安培 /平方米)，則由圖6所示在約大約0.03毫秒時，所述陰離子交換膜靠近淡室 一側的濃度恢復至百萬分之六百(600PPM)。
用上述軟體模擬的方法得到正向電流時間和反向電流時間可以再經實驗 的方法進行-瞼證，以得到優化的正向電流、正向電流時間、反向電流及反向 電流時間參數。在實驗過程中，正向電流時間、反向電流與正向電流的比值 以及反向電流時間對正向電流時間的比值這三個參數分別被獨立控制。
對於圖4中脈衝電流信號的每一個周期，正向電流時間佔整個周期時間 的80%以上，其可以是整個周期的80%至85%,從85%到90%，從90%到 95%，或乂人95%到99%。通過控制所述正向電流時間與周期時間的比值控制 脫鹽效率。
10如圖4所示，所述脈沖電流信號還包括一個持續一個第二反向電流時間 的第二反向電流信號，該第二反向電流信號位於兩個相鄰周期的正向電流信 號之間。該第二反向電流時間大於前述的第一反向電流時間。該第二反向電 流大於前述的第 一反向電流。
參照圖7所示，本發明的脈衝電流信號的第二個實施方式的每一個周期
除包括一個正向電流信號和一個反向電流信號之外，還包括一個在正向電流 信號和反向電流信號之間的無電流信號期間。
雖然結合特定的實施例對本發明進行了說明，但本領域的技術人員可以 理解，對本發明可以作出許多修改和變型。因此，要認識到，權利要求書的 意圖在於覆蓋在本發明真正構思和範圍內的所有這些修改和變型。例如，本 發明的實施例是針對脫鹽的應用，但是其也可以適用於去除液體中的離子， 例如水淨化、廢水處理和礦物質脫除。工業應用包括但不限於水處理、醫藥 品以及食品^t料行業。
權利要求
1. 一種電滲析裝置，包括第一電極和與第一電極相隔一定距離的第二電極；以及控制器，用以控制從一個電源傳送到所述第一、第二電極上的電流，該電源在控制器的控制下在每一個周期內可以從第一模式切換到第二模式，而在所述第二模式下的電流極性與第一模式下的電流極性相反，所述電流的頻率約為100赫茲到10千赫茲。
2. 如權利要求1所述的電滲析裝置，其中該電滲析裝置進一步包括位於 第一、第二電極之間的陽離子交換膜和陰離子交換膜。
3. 如權利要求1所述的電滲析裝置，其中所述第一模式與第二模式持續 時間的比值約為80:20至99:1之間。
4. 如權利要求1所述的電滲析裝置，其中所述頻率恆定的。
5. 如權利要求1所述的電滲析裝置，其中所述頻率經一定時間後是變化的。
6. —種電滲析裝置，包括 第一電極，與第一電極相隔一定距離的第二電極； 電源，向所述第一、第二電極提供脈衝電流；控制器，控制該電滲析裝置的電滲析過程包括若干個周期，其中至少一 個周期包括去離子階段，電源向第一、第二電極提供正向電流，使得該第一、第 二電極分別作為正極、負極，並持續正向時間；以及膜恢復階段，電源向第一、第二電極提供反向電流，使得該第一、第 二電極分別作為負極、正極，並持續反向時間；以及 所述電流的頻率約為100赫茲到IO千赫茲。
7. 如權利要求6所述的電滲析裝置，其中所述正向時間與正向、反向時 間之和的比值約為0.7:1至0.99:1。
8. 如權利要求6所述的電滲析裝置，其中至少一個周期有一個停頓階段, 在該停頓階段，電源停止向第一、第二電極供電。
9. 如權利要求8所述的電滲析裝置，其中所述停頓階段位於所述去離子 階段與膜恢復階段之間。
10. 如權利要求1-9中任何一項所述的電滲析裝置，其中在某兩個周期之間還有反向電流階段。
11. 一種電滲析方法，包括 入水流導入電滲析裝置；向電滲析裝置內的電極施加正向電流；監測電滲析裝置的淡室內離子交換膜附近離子濃度的變化， 一旦該離子 濃度降低到預設的第一參考濃度，則施加在電極上的電流反向，直到所述淡 室內離子交換膜附近的離子濃度恢復到預設的第二參考濃度，再向電極施加 正向電流。
全文摘要
本發明涉及一種電滲析裝置和方法，該電滲析裝置包括第一電極、與第一電極相隔一定距離的第二電極、以及控制器。控制器控制從一個電源傳送到所述第一、第二電極上的電流，該電源在控制器的控制下在每一個周期內可以從一第一模式切換到一第二模式，而在所述第二模式下的電流極性與第一模式下的電流極性相反，所述電流的頻率約為100赫茲到10千赫茲。
文檔編號C02F1/469GK101468836SQ20071030156
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月25日 優先權日2007年12月25日
發明者劉雲峰, 夏激揚, 春 曹, 宇 杜, 潮 楊, 毛賽君, 熊日華, 王勝先, 巍 蔡, 袁曉明, 昶 魏 申請人:通用電氣公司